薄板材點焊的全自動搬運輸送線的改造設(shè)計

王 芳 陳小軍 宋小輝

(①南昌工程學院機械工程學院，江西南昌 330029;②江西應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學院，江西贛州 341000;③桂林航天工業(yè)學院，廣西桂林 541004)

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，人們對汽車制造工藝的認識愈來愈深入，要想制造出高質(zhì)量的轎車就必須有先進的設(shè)備和工藝保證。由此，兩塊0.8 mm疊加不銹鋼薄板的點到點焊接作為汽車生產(chǎn)的重要工序之一。傳統(tǒng)的手工生產(chǎn)線已不能滿足汽車行業(yè)飛速發(fā)展的需要［1］，為此將手工生產(chǎn)線改造為全自動化生產(chǎn)線是當今汽車行業(yè)中急需待解決的問題。

本文在分析板材搬運點焊設(shè)備的改造流程，工序特點的基礎(chǔ)上，提出兩種不同的設(shè)備改造方案，對兩種改造方案進行對比。然后對生產(chǎn)線關(guān)鍵機械結(jié)構(gòu)進行設(shè)計分析，最后對控制系統(tǒng)進行了設(shè)計。該生產(chǎn)線可用于不同材料板材的搬運以及點焊，該線初步試驗成功，將廣泛推向市場。

1 生產(chǎn)線方案設(shè)計

1.1 工序流程分析

根據(jù)設(shè)計任務(wù)書的要求，如圖1所示，本次設(shè)計的生產(chǎn)線需要對四種產(chǎn)品進行點到點焊接，各種產(chǎn)品點焊位置都不同，增加了設(shè)計的難度。為了能使放料的位置誤差在±1.5 mm左右，設(shè)計了4種不同的專用夾具來實現(xiàn)點焊要求。

工廠實際生產(chǎn)中，人工將兩塊不銹鋼薄板疊加起來，然后送至點焊機進行點對點焊接。這樣焊接精度不容易保證，而且易傷手、勞動強度高和效率低。所以需要開發(fā)全自動的生產(chǎn)線來代替。現(xiàn)將不銹鋼薄板材點焊工序流程分析如圖2所示。

1.2 兩種不同動力源的方案設(shè)計

根據(jù)工序流程需要我們設(shè)計了以下兩種方案，兩種方案的組成部分和電氣部分都大致相同。其中組成部分由機臺機架、有動力滾筒、鐵板分離裝置、機械手、推料機構(gòu)、伺服機構(gòu)、校正機構(gòu)、機箱封板等構(gòu)成;電氣部分包括電控箱、觸摸屏、PLC、傳感器、電磁閥、電子器件、氣缸、吸盤等構(gòu)成。下面對兩種不同方案的工作原理進行說明。

(1)采用伺服系統(tǒng)控制的生產(chǎn)線方案設(shè)計 工作原理:人工把一垛垛的待點焊產(chǎn)品按指定方向放到有動力滾筒線1上，滾筒線1自動把產(chǎn)品送到不銹鋼薄板分離區(qū)域里，通過磁性把不銹鋼薄板一塊塊地分離開，由機械手1把不銹鋼薄板吸到待點焊放料機構(gòu)上(吸兩遍不銹鋼薄板)，由專用氣缸把不銹鋼薄板推到伺服機構(gòu)夾具里，通過伺服機構(gòu)按X－Y軸方向的互相配合來完成兩點或三點的點焊工作，點焊完畢按指定的順序讓伺服機構(gòu)完點復(fù)歸，并由機械手2把點焊好后的不銹鋼薄板通過吸盤吸到有動力滾筒線2上，由滾筒線2送到指定的位置里，這樣就完成了一個周期的點焊工作，如此反復(fù)周而復(fù)始地工作，達到全自動點焊的功能。伺服系統(tǒng)控制生產(chǎn)線的方案如圖3。

(2)采用氣缸為主要動力的生產(chǎn)線方案設(shè)計 工作原理:人工把一垛垛的待點焊產(chǎn)品按指定方向放到有動力滾筒線1上，滾筒線1自動把產(chǎn)品送到不銹鋼薄板分離區(qū)域里，通過磁性把不銹鋼薄板一塊塊地分離開，由機械手1把不銹鋼薄板吸到待點焊放料機構(gòu)上(吸兩遍不銹鋼薄板)，由專用氣缸把不銹鋼薄板推到專用裝夾夾具里，通過夾具第1組滑塊與氣缸把不銹鋼薄板送到點焊機前面，進行第一點的點焊;第一點點焊完成后，由第2組滑塊與氣缸把不銹鋼薄板繼續(xù)往前推進，進行第二點的點焊;第二點點焊完成后，由第3組滑塊與氣缸把不銹鋼薄板向右拖動，并與第4組滑塊與氣缸進行合理位置的調(diào)整，從而進行第三點的點焊;第三點點焊完成后，按順序指定各氣缸原點復(fù)歸，并由機械手2把點焊好后的不銹鋼薄板通過吸盤吸到有動力滾筒線2上，由滾筒線2送到指定的位置里，這樣就完成了一個周期的點焊工作。如此反復(fù)周而復(fù)始地工作，達到全自動點焊的功能。

2 總體方案設(shè)計以及關(guān)鍵零部件的設(shè)計

2.1 總體方案設(shè)計

采用伺服系統(tǒng)控制的生產(chǎn)線方案具有控制精度高，并且機械結(jié)構(gòu)簡單、體積小的優(yōu)點，但是其成本大，生產(chǎn)廠家規(guī)模小難以接受。采用氣缸為動力的生產(chǎn)線方案可以達到放料的位置誤差在±1.5 mm左右的精度，成本低，控制簡單，但是機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜。綜合多方面因素，最后廠家選用第二種采用氣缸為主要動力的生產(chǎn)線方案，全自動不銹鋼薄板材搬運輸送線改造總成如圖5所示。

2.2 磁性分離機構(gòu)的設(shè)計

一垛垛的不銹鋼薄板在點焊前是通過磁性分離機構(gòu)將其分開，然后由電磁鐵吸盤送至位置調(diào)節(jié)機構(gòu)進行調(diào)整后點焊。從堆積的薄不銹鋼板中分離出單張板材，是處理大量鋼板的問題之一。通常薄鋼板上由于涂有油層而互相牢固地粘附著。操作者要把它們分開是很費時的，而且大大增加損壞的概率。實現(xiàn)的巧妙方法就是使用磁性分離機構(gòu)把它們分開。磁鐵放置在一堆鋼板的一邊，使之與板材帶有相同的磁極性;于是，板材將與此邊互相排斥，迫使上面的鋼板與下面分開，使它們處于機器操作者容易拿取的位置。磁性分離機構(gòu)中磁鐵的排列很重要，圖6為磁性分離機構(gòu)磁鐵布置圖。

3 控制系統(tǒng)

3.1 生產(chǎn)線控制要求

板材搬運輸送設(shè)備生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)有以下幾方面的要求:發(fā)生故障按鈕;運行方式;聯(lián)鎖和互鎖;故障報警;狀態(tài)顯示。

3.2 硬件和軟件設(shè)計

可編程控制器(PLC)可靠性高，編程簡單，維修方便［2］。但是，PLC 在人機對話、故障判斷和線路修改等方面有些不便。要想直觀地了解生產(chǎn)過程和監(jiān)控信號的動態(tài)變化，需選擇一個上位機來配合PLC，才能組成優(yōu)良的自動控制系統(tǒng)。所以，設(shè)計了一套應(yīng)用觸摸屏和PLC，共同組成全自動薄板材搬運輸送生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖7所示。

CPU單元負責控制整個生產(chǎn)過程。觸摸屏通過RS－232串口和CPU進行通訊，系統(tǒng)輸出模塊向外部設(shè)備傳送輸出信號，使不同的執(zhí)行機構(gòu)動作。通過傳感器將信號反饋回輸入模塊以改變各執(zhí)行機構(gòu)的運動狀態(tài)。CPU單元從輸入模塊讀取數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)的變化控制各個執(zhí)行機構(gòu)的運動，整個過程構(gòu)成一個控制回路［3］。

根據(jù)生產(chǎn)線所需要的I/O點數(shù)量和系統(tǒng)控制等因素，PLC選用三菱公司FX－3U－64MR型號的產(chǎn)品，觸摸屏采用三菱公司GT1055(320×240)型號的產(chǎn)品。

本控制系統(tǒng)使用了一臺三菱GT1055(320×240)觸摸屏，5.7英寸彩色液晶屏。它結(jié)構(gòu)小巧，可方便靈活地設(shè)定控制參數(shù)和實時監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)及對系統(tǒng)進行有效的管理。GT1055使用GT Designer 3進行程序設(shè)計，提供多種控制器件庫、圖形控件、功能控件，可以組態(tài)出各種動態(tài)功能和控制功能，以及實現(xiàn)故障的可視化;并且能夠讀取PLC內(nèi)的數(shù)據(jù)，顯示現(xiàn)場狀態(tài)數(shù)據(jù)［4］。

4 結(jié)語

結(jié)合板材搬運輸送點焊設(shè)備的工序特點，對其用于點焊時設(shè)計了兩種不同動力源的方案，兩種方案各有優(yōu)缺點?？紤]成本、設(shè)計、控制等綜合因素，采用氣缸為主要動力的不銹鋼薄板點焊搬運輸送線設(shè)計方案。實踐證明，設(shè)備運行平穩(wěn)，點焊產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，實現(xiàn)了全自動化裝置的安全生產(chǎn)，降低了勞動強度，提高了生產(chǎn)效率。另外，運行情況可以很方便地在觸摸屏中顯示，為產(chǎn)品質(zhì)量的全程監(jiān)控提供了依據(jù)。

［1］高志純.機械化改造在沖壓生產(chǎn)線的應(yīng)用［J］.生產(chǎn)現(xiàn)場，2009(9):14－17.

［2］劉莜霞.包裝機械［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2005.

［3］王炎，葉高翔，朱善安.PLC和觸摸屏在石英晶體諧振器組裝系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］，機電工程，2006，23(10):49 －51.

［4］http://www.mitsubishielectric－automation.cn/download/(上海三菱電機網(wǎng)站)